Thiết kế mạch định vị GPS sử dụng SIM548C có full code

Lời nói đầu
Ngày nay chúng ta đang sống trong thời đại của kĩ thuật, chúng ta đã trải qua hàng
triệu năm lao động, sáng tạo và phát triển để đạt được đến trình độ tri thức như ngày
hôm nay. Con người luôn muốn khám phá thế giới, luôn muốn đặt chân lên tất cả
mọi nơi trên trái đất, những nơi mà chưa có ai đặt chân tới. Vì vậy cần có một thiết
bị giúp con người có thể xác định được những nơi đó. Một thiết bị có thể giúp con
người xác định được vị trí tọa độ chính xác của bản thân , xác định chính xác các vị
trí mà họ cần quan tâm. Cùng với nhu cầu thực tế của con người, cũng trên nhu cầu
của chính phủ Mỹ, nước Mỹ cần xây dựng một hệ thống quân sự vững mạnh, họ
muốn bao quát toàn bộ thế giới và kiểm soát mọi nơi trên thế giới. Do vậy họ đã
xây dựng nên một hệ thống nhằm giải quyết vấn đề đó. Đó là hệ thống định vị toàn
cầu GPS. Với lý do đó em chọn đề tài : “Hệ thống định vị toàn cầu GPS”. Đồ án
của em gồm:
Chương 1: Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu
Chương 2: Vi xử lý avr ATMEGA16,Module SIM548C và LCD
Chương 3: Thiết kế máy thu GPS
Được sự quan tâm và giúp đỡ và chỉ bảo tận tình trong nghiên cứu và cung cấp tài
kiệu của thầy giáo Nguyễn Hoàng Dũng cùng với sự nỗ lực của cả nhóm, đề tài
được hoàn thành. Tuy nhiên do trình độ và thời gian có hạn đề tài chắc chắn không
tránh khỏi những sai sót, kính mong các thầy cô giáo đóng góp ý kiến chỉnh sửa và
định hướng nội dung cho hướng phát triển tiếp theo.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Hoàng Dũng các bạn, các anh đã tận tình
giúp đỡ trong thời gian thực hiện đề tài.
Hà nội, ngày 14 tháng 6 năm 2014
Các hình vẽ sử dụng trong báo cáo
1.1.Chòm sao vệ tinh
1.2.Vệ tinh NAVSTAR
1.3.Tín hiệu vệ tinh GPS
1.4.Tạo mã C/A code
1.5.Phân bố các trạm điều khiển
1.6.Quá trình điều khiển trong hệ thống GPS

1.7.Một số ứng dụng GPS
1.8.Sơ đồ cấu trúc bộ thu GPS
1.9.Bản tin dẫn đường
1.10.Phương pháp DGPS
1.11.Phương pháp tự trị
1.12.Xác định vị trí qua 3 vệ tinh
1.13.Xác định 1 diểm trong không gian qua 4 vệ tinh
1.14.Trễ truyền trong tầng điện ly
1.15.Góc chiếu vệ tinh
1.16.Nhiễu do đa đường
1.17.Nhiễu do phân tán độ chính xác
1.18.Mô hình DPGS
2.1.Ghép nối LCD với AVR
2.2.Chân LCD
2.3.Chu trình thời gian trên LCD
2.4.Sơ đồ khối ATMEGA16
2.5.Sơ đồ khối CPU ATMEGA16
2.6.Thanh ghi trạng thái SREG
2.7.Thanh ghi chức năng chung
2.8.Thanh ghi con trỏ ngăn xếp
2.9.Bản đồ bộ nhớ chương trình
2.10.Bản đò bộ nhớ dữ liệu SRAM
2.11.Sơ đồ cấu trúc bộ định thời
2.12. Đơn vị đếm
2.13.Sơ đồ đơn vị so sánh ngừ ra
2.14.Thanh ghi điều khiển bộ định thời
2.15.Thanh ghi bộ định thời
2.16.Thanh ghi so sánh ngừ ra
2.17.Thanh ghi mặt nạ ngắt
2.18.Thanh ghi cờ ngắt

2.20.Sơ đồ khối Usart
2.21. Đơn vị tạo xung clock
2.22. Định dạng khung truyền
2.23.Sơ đồ bộ biến đổi AD
2.24.Thanh ghi ADMUX
2.25.Thanh ghi điều khiển và trạng thái ADC
2.26.Thanh ghi dữ liệu ADC
2.27.Module SIM548C
2.28.Chân SIM548C
2.29.Kích thước module
2.30.Mô phỏng đặc trưng mối hàn module
2.31.Sơ đồ chõn MAX232
2.32.Biểu đồ logic
2.33.Kiểm tra mạch điện thu
2.34.Kiểm tra mạch điện điều khiển
3.1.Sơ đồ khối
3.2.Sơ đồ nguyên lý
3.3.Layout
3.4.Sơ đồ khối khối nguồn
3.5.Sơ đồ nguyên lý khối nguồn
Chương 1: GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐỊNH VỊ TOÀN CẦU
1.1.Giới thiệu về hệ thống định vị toàn cầu (GPS)
GPS là từ viết tắt của NAVSTA GPS. Nó được ghép bởi các chữ cái đầu của các từ
NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System.
GPS là một giải pháp cho một ai đó ở rất xa và cần sự giúp đỡ . Nó cung cấp câu trả
lời cho câu hỏi “tụi đang ở đâu trên trái đất?”, có thể thấy rằng đó là một câu hỏi dễ
dàng để trả lời. Bạn có thể dễ dàng xác định đúng vị trí của mình bằng cách quan
sát mọi thứ ở xung quanh bạn và vị trí của bạn được xác định nhờ sự tương quan
với chúng. Việc xác định vị trí của bạn sẽ như thế nào nếu như bạn không có các vật
xung quanh mình, hay bạn đang ở giữa sa mạc hoặc bạn đang ở giữa đại dương.

Trong suốt nhiều thế kỷ, vấn đề đó đã được giải quyết bằng cách sử dụng mặt trời
và các ngôi sao để dẫn đường. Cũng vì vậy các nhà đo địa hình và các nhà thám
hiểm đã sử dụng những điểm đánh dấu sẵn từ những dữ liệu cơ sở đo đạc trước. Các
phương pháp đo đú đó rất tốt nhưng chắc chắn nó bị hạn chế về một số mặt nhất
định. Khi trời có nhiều mây thì chúng ta không thể nhìn được các ngôi sao và mặt
trời, vì vậy không xác định chính xác vị trí của nó vì vậy không thể xác định được
vị trí của chúng ta.
Sau chiến tranh thế giới lần thứ hai, vấn đề trở nên rõ ràng đối với toàn bộ nước Mỹ
rằng phải tìm ra một giải pháp cho vấn đề xác định chính xác tuyệt đối vị trí của bất
kì một điểm nào đó trên trái đất. Một số các dự án và các thí nghiệm đã diễn ra
trong suốt hai mươi năm năm. Tất cả các dự án đó đều nhằm cho phép xác định vị
trí của một điểm bất kì trên trái đất, nhưng chúng đều bị hạn chế về độ chính xác và
tính năng hoạt động.
Vào đầu những năm 1970, một dự án mới đã được đề suất đó là dự án GPS. Khái
niệm đó hứa hẹn để thực hiện các yêu cầu mà chính phủ Mỹ đề ra, hệ thống GPS
này có khả năng xác định một vị trí chính xác trên bề mặt của trái đất, ở bất kì một
thời điểm nào, trong bất kì một điều kiện thời tiết nào.
GPS là một hệ thống các vệ tinh , bao gồm có ít nhất 24 vệ tinh, hệ thống này cung
cấp cho người sử dụng một vị trí chính xác trên bề mặt trái đất. Điều này rất quan
trọng đối với những nhà lữ hành hay những người lính ở giữa sa mạc và hệ thống
GPS có thể chỉ rõ vị trí chính xác đến khoảng mười năm mét. Đối với những con
tàu đang chạy trên biển, hệ thống này có thể chỉ rõ vị trí chính xác đến năm mét.
Trong nghành địa chất, hệ thống này có thể chỉ vị trí chính xác đế một centimet
hoặc ít hơn.
Hệ thống GPS có thể được sử dụng để đạt được tất cả các độ chính xác trong tất cả
các ứng dụng, sự khác nhau về độ chính xác đạt được là do sử dụng các bộ thu GPS
và các kĩ thuật được thực hiện là khác nhau.
Ban đầu hệ thống GPS được thiết kế chỉ để sử dụng trong quân sự. Nhưng ngay sau
đó đó cú một sự đề nghị được đưa ra rằng hệ thống GPS cũng cần được sử dụng
trong dân sự, và không chỉ xác định vị trí của một ai đó (như trong quân sự). Ban

đầu đó cú hai ứng dụng quan trọng trong dân sự xuất hiện, đó là dẫn đường trong
ngành hàng hải và ngành địa chất. Ngày nay các ứng dụng sử dụng hệ thống GPS
đã trở nên rất rộng rãi như dẫn đường cho ô tô qua sự điều khiển tự động .
1.2.Tổng quan về hệ thống GPS
Cấu trúc của hệ thống GPS bao gồm 3 phân hệ chính:
- Phân hệ không gian: các vệ tinh quay quanh trái đất.
- Phân hệ điều khiển: các trạm được đặt trên đường xích đạo của trái đất để
điều khiển các vệ tinh.
- Phân hệ người sử dụng: bất kì một ai mà người đó thu và sử dụng tín hiệu
GPS.
1.2.1. Phân hệ không gian
Chức năng chính của phân hệ không gian là từ các lệnh được gửi từ phân hệ điều
khiển, cung cấp tham chiếu thời gian nguyên tử, phỏt ra tín hiệu giả ngẫu nhiên cao tần
và lưu trữ, rồi phát lại bản tin dẫn đường. Nó bao gồm các thành phần sau:
1.2.1.1 Chòm vệ tinh
Phân hệ không gian bao gồm có ít nhất là 24 vệ tinh, chúng có quỹ đạo bay xung
quanh trái đất, ở một độ cao xấp xỉ 20.200km.
Trong phân hệ không gian sẽ có ít nhất bốn vệ tinh có thể trông thấy trên một góc
cắt 15 độ ở bất cứ một điểm nào trên bề mặt trái đất và ở bất cứ một thời điểm nào.
Để có thể xác định một vị trí chính xác ở trên bề mặt trái đất thì cần phải có ít nhất
bốn vệ tinh trên một quỹ đạo.Nhưng theo nghiên cứu thực tế cần phải sử dụng ít
nhất là năm vệ tinh trong suốt thời gian,và thông thường có sáu hoặc bẩy vệ tinh.
Hình 1.1 Chòm sao vệ tinh
1.2.1.2 Vệ tinh
Các vệ tinh có cấu trúc và cơ cấu giữ cho chúng ở trên quỹ đạo, liên lạc với phân hệ
điều khiển, phát tín hiệu tới máy thu.
Một trong những khía cạnh quan trọng nhất của hệ thống GPS là đồng hồ vệ tinh.
Vì lý do này mà các vệ tinh được trang bị các đồng hồ nguyên tử (ribidium và
secium) có độ ổn định cao.
Hình 1.2 Vệ tinh NAVSTAR

Nhóm vệ tinh sau đã được phát triển
- Khối I, các vệ tinh triển khai dẫn đường. Giữa năm 1978 và 1985, 11 vệ tinh
loại này đã được phóng lên. Chế độ S/A chưa được thực thi. Chúng nặng
khoảng 845 kg và có thời gian hoạt động dự kiến là 4,5 năm. Chúng có khả
năng cung cấp dịch vụ định vị cho 3 hoặc 4 ngày mà không cần liên hệ với
trung tâm điều khiển.
- Khối II và IIA, các vệ tinh tác chiến. Ngày nay chúng vẫn hoạt động bình
thường, bao gồm tổng cộng 28 vệ tinh được phóng từ năm 1989, mỗi vệ tinh
nặng khoảng 1500kg và có thời gian hoạt động dự kiến 7,5 năm. Từ năm
1990, phiên bản cải tiến được sử dụng, khối IIA tiên tiến với khả năng liên
lạc hai chiều. Chúng có thể cung cấp dịch vụ định vị cho 180 ngày mà không
cần liên hệ với phân hệ điều khiển. Tuy nhiên dưới chế độ hoạt động bình
thường, chúng phải liên lạc hàng ngày.
- Khối IIR, các vệ tinh tác chiến thay thế. Từ năm 1997, các vệ tinh này được
sử dụng làm dự trữ cho khối II. Nó được hình thành bởi hai vệ tinh, mặc dù
nó có thể tăng thêm 6 vệ tinh nữa. Mỗi vệ tinh nặng 2000kg và có thời gian
hoạt động dự kiến là 10 năm. Chúng sẽ có khả năng tự động xác định quỹ
đạo của mình và tạo ra các bản tin dẫn đường của riêng chúng. Các vệ tinh
này có thể đo khoảng cách giữa chúng và truyền các quan sát khác tới các vệ
tinh khác hoặc tới phân hệ điều khiển. Vệ tinh loại này đã được phát triển
hoàn thiện và có khả năng hoạt động nửa năm mà không cần bất kì hỗ trợ
nào của phân hệ điều khiển và không suy giảm độ chính xác của lịch thiên
văn. Người ta hy vọng một vài trong số chúng có thể trang bị với maze hiđrụ.
- Khối IIF, các vệ tinh tác chiến tiếp sau. Việc phúng cỏc vệ tinh này được dự
kiến vào năm 2001, thời gian hoạt động trung bình trên lý thuyết là khoảng
10 năm, và sẽ có hệ thống định vị quán tính
Các vệ tinh GPS được nhận biết theo nhiều cách: bởi vị trí của chúng trê quỹ đạo
(Mỗi vệ tinh có một vị trí (1,2,3,…), bên trong 6 quỹ đạo – A,B,C,D,E,F, hay bởi số
chứng nhận NASA của chúng, bởi số ID quốc tế, bởi mã giả ngẫu nhiên PRN và bởi
số hiệu phương tiện vũ trụ SVN.

Mỗi vệ tinh trong hệ thống GPS có một vài cái đồng hồ có độ chính xác rất cao. Các
đồng hồ hoạt động ở một tần số cơ bản 10,23MHz, dùng để phát ra tín hiệu, các tín
hiệu đó được phát quảng bá từ các vệ tinh.
Loại đồng hồ
Độ ổn định hang ngày
(∆f/f)
Thời gian cần để sai lệch
1 giây
Tinh thể thạch anh 10
9
−
30 năm.
Rubidium 10
12−
30000 năm
Cesium 10
13−
300000 năm
Hỷđụ 10
15−
30000000 năm
Bảng 1.1Độ ổn định của các đồng hồ
Các vệ tinh phát ra hai song mang cố định, các sóng mang này ở băng tần L (sử
dụng cho radio) và chúng truyền quanh trái đất với một tốc độ bằng tốc độ của ánh
sáng.
Các sóng mang đó được tạo ra từ tần số cơ bản, được phát đi bởi một đồng hồ
nguyên tử có độ chính xác rất cao:
- Sóng mang L1 được phát đi ở tần số 1575, 42 MHz (10,23MHz *154).
- Sóng mang L2 được phát đi ở tần số 1227, 60 MHz (10,23MHz *120)
Sau đó sóng mang L1 có hai mã được điều chế, đó là mã C/A Code hay

Coarse/Acquistion Code được điều chế ở tần số 1,023MHz(10,23/10) và sau đó là
mã P-Code hay Precision Code được điều chế ở tần số10,23MHz. Sóng mang L2
chỉ có một mã được điều chế lên trên. L2 P-Code được điều chế ở tần số 10,23MHz.
-Mã Course/Acquisition [C/A(t) ] được biết đến là mã dân sự. Dãy này được lặp sau
mỗi 1ms và ở tốc độ hay “tốc độ chớp” là 1Mb/s, tương đương với bước sóng
293,1ms, nó chỉ được điều chế trên băng L1.
Hình 1.3 Tín hiệu vệ tinh GPS
- Mã chính xác P(t), được sử dụng cho mục đích quân sự và người dùng dân
sự được cấp phộp. Dãy này lặp lại sau 266 ngày (38 tuần) và thành phần
hàng tuần của nó được gán cho mỗi vệ tinh, được gọi là dãy PRN. Tốc độ
hay tốc độ chíp của nó là 10Mb/s tương đương với bước sóng 29,31m và
được điều chế trên cả hai sóng mang L1 và L2.
Tần số đồng hồ nguyên tử Fo = 10,23 MHz
Sóng mang tín hiệu L1
Tấn số L1
Bước sóng L1
154.fo
1575,42 MHz
19,05 cm
Sóng mang tín hiệu L2 120.fo
Tần số L2
Bước sóng L2
1227,60 MHz
24,45 cm
Tần số mã P (tốc độ chíp)
Bước sóng mã P
Chu kì mã P
Fo =10,23MHz (Mb/s)
29,31 m
266 ngày,7 ngày /vệ tinh

Tần số mã C/A (tốc độ chíp)
Bước sóng mã C/A
Chu kì mã C/A
fo /10 = 1,023MHz
293,1 m
1 ms
Tần số bản tin dẫn đường
Chiều dài khung
50bit/s
30 s
Bảng 1.2 Cấu trúc tín hiệu GPS
- Bản tin dẫn đường D(t) được điều chế trên cả hai sóng mang có tốc độ 50bít/
s, thông báo các thông tin về lịch thiên văn, độ sai lệch của đồng hồ vệ tinh,
hệ số mô hình tầng điện ly và trạng thái tầng điện ly v…v…
Để hạn chế người dùng dân sự truy cập được độ chính xác hệ thống đầy đủ, nhiều
kĩ thuật đã được phát triển:
- S/N hay tính khả dụng có lựa chọn : là sự suy giảm chất lượng đồng hồ vệ
tinh và thay đổi lich thiên văn có chủ ý. Nó gây ảnh hưởng lên định vị theo
phương ngang khoảnh sai số từ 10m(khi S/A tắt) tới 100m(khi S/A bật).
- A/S hay chống bắt trước (Anti-Spoofing): nó cốt ở mã hóa P bằng cách kết
hợp nó với mã W bí mật, cho ra mã Y, mã này được điều biên trên hai sóng
mang L1 và L2. Mục đích để tránh các truy nhập của người dùng không
được cấp phép nhằm mã hóa trên cả hai tần số P1 và P2, dẫn tới C/A chủ yếu
sử dụng với L1
Các bộ thu GPS sử dụng các mã khác nhau để nhận biết giữa các vệ tinh. Các mã
cũng có thể được sử dụng như một phương thức cơ bản để làm phép đo giả và vì
vậy được dung để tính toán một vị trí.
Hình 1.4 Tạo mã C/A code
1.2.2. Phân hệ điều khiển.
Phân hệ điều khiển có trách nhiệm vận hành hệ thống GPS. Các chức năng cơ bản

của nó bao gồm:
- Quản lý và duy trì trạng thái và cấu hình chòm vệ tinh
- Dự đoán thay đổi lịch thiên văn và đồng hồ
- Giữ đúng tỉ lệ thời gian GPS (thông qua các đồng hồ nguyên tử)
- Cập nhật các bản tin dẫn đường của tất cả các vệ tinh
Nó cũng phụ trách kích hoạt tính khả dụng có chọn lọc –S/A trong việc truyền tín
hiệu.
Phân hệ điều khiển bao gồm một trạm trung tâm điều khiển chính được đặt ở Flacon
Air Force Base ở Colorado Springs, Colorado và 5 trạm giám sát đặt ở Hawaii,
Colorado Springs, đảo Ascensio ở Nam Đại Tây Dương, Diego Garcia ở Ấn Độ
Dương và Kwajalein ở Bắc Thái Bình Dương và có 3 anten mặt đất phát đi các dữ
liệu tới các vệ tinh tại Ascension, Diego Garcia và Kwajalein. Chúng được phân bố
đều trên 5 khu vực trên đường xích đạo của trái đất.
Hình 1.5 Phân bố các trạm điều khiển trên mặt đất
Các trạm giám sát liên tục theo dõi các vệ tinh trong tầm nhìn thẳng từ các điểm
này. Chúng được trang bị máy thu đo cả hai tần số L1 và L2, tất cả các tín hiệu đến
từ vệ tinh trong tầm nhìn thẳng.
Các dữ liệu thu theo dõi được gửi vể trung tâm điểu khiển chính. Khi đã tới đó
chúng được xử lý để xác định vị trí của các vệ tinh (lịch thiên văn ) và lỗi đồng hồ
trong số nhiều các thông số khác. Quỹ đạo bị ảnh hưởng bởi các nguồn gây xáo trộn
như lực hấp dẫn của Mặt trời, Mặt trăng và các ứng suất của các tia bức xạ trong hệ
Mặt trời lờn cỏc vệ tinh trong số nhiều các ảnh hưởng khác.
Vỡ các lý do này, các tính toán để sửa lỗi cần phải được thực hiện sau những
khoảng thời gian nhất định, tạo ra các bản tin dẫn đường được gửi tới các trạm giám
sát mặt đất để được truyền tới vệ tinh. Điều này được thực hiện với các ănten mặt
đất thông qua đường dẫn sóng vô tuyến băng S. Mỗi vệ tinh có thể được tải lên 3
lần/ngày

Hình 1.6 Quá trình điều khiển trong hệ thống GPS
1.2.3.Phân hệ người sử dụng.

Phân hệ người sử dụng bao gồm các máy thu GPS nhằm kết nối bất kì một ai sử
dụng một bộ thu GPS để thu tín hiệu GPS và xác định vị trí của họ hay thời gian.
Chức năng chính của chúng là nhận các tín hiệu GPS, xác định giả khoảng cách và
giải các phương trình dẫn đường để có được các tọa độ và cung cấp thời gian chính
xác.
Các ứng dụng đặc trưng của phân hệ người dùng là dẫn đường mặt đất cho những
người lữ hành,vị trí của phương tiên, địa chất , dẫn đường hàng hải, dẫn đường trên
không ,v v
Hình 1.7 Một số các ứng dụng của hệ thống GPS
Các khối chính của một máy thu thông dụng là một ănten, bộ tiền khuyếch đại,
tạo mã, bộ tạo dao động xung đồng hồ, bộ vi xử lý, nguồn điện , bộ nhớ để lưu trữ
dữ liệu và giao diện với người dùng, vị trí được tính toán là tâm pha của ănten
Hình 1.8 Sơ đồ cấu trúc của một bộ thu GPS
1.2.4 Bản tin dẫn đường
Mỗi vệ tinh nhận từ các ănten mặt đất, thông báo chứa trông tin về các thông số quỹ
đạo của nó, trạng thái đồng hồ, dữ liệu hiện thời của các vệ tinh khác. Thông tin này
được gửi trở lại người dùng thông qua bản tin dẫn đường.
Bit (0,02s)
Hình 1.9 Bản tin dẫn đường
Bản tin dẫn đường được điều biến trên cả hai sóng mang ở tốc độ 50 bit/s. Toàn bộ
bản tin gồm 25 trang hay khung, tạo nên khung lớn nhất 12,5 phút để truyền đi. Mỗi
khung được chia ra thành 5 khung con dài 6 giây mỗi khung, đồng thời mỗi khung
con lại bao gồm 10 từ, 30 bít mỗi từ. Một khung mất 30 giây để truyền đi.
Mỗi khung con luôn bắt đầu với từ TML (Telemetry), cần thiết cho việc đồng bộ.
Tiếp đó, từ transference (HOW) xuất hiện. Việc phát đi từ này để cho phép nhanh
chóng hoán đổi mã C/A cho mã P
Nôi dung của mỗi khung con như sau:
- Khung con 1 : Chứa các thông tin về các thông số được sử dụng bởi đồng hồ
vệ tinh phục vụ sửa lỗi. Các giá trị này là các hệ số cho phép chuyển đổi thời
gian trên vệ tinh thành thời gian GPS. Nó cũng mang dữ liệu thông tin về

tình trạng hiện thời của vệ tinh, và thông tin về những vấn đề về bản tin dẫn
đường.
- Khung con 2 và 3 chứa lịch thiên văn vệ tinh.
- Khung con 4 chứa các thông số mô hình hóa tầng điện ly (để điều chỉnh phản
xạ tầng điện ly), thông tin về UTC, một phần của niên lịch và các chỉ số cho
biết liệu chế độ chống bắt trước Anti-Spoofing (A/S) có được kích hoạt hay
không( chế độ chuyển đổi mã P thành mã Y được mã hóa).
- Khung con 5: Chứa dữ liệu từ niên lịch và trạng thái chòm vệ tinh. Với
khung này,ta có thể nhanh chóng nhận biết 1 vệ tinh từ tín hiệu tới. Cần có
25 khung để hoàn thiện niên lịch.
Khung con 1 Khung con 2 Khung con 3 Khung con 4 Khung con 5
TLM HOW
PHÂN HỆ ĐẦU VÀO CHỨC NĂNG ĐẦU RA
KHÔNG GIAN Bản tin dẫn đường
Các lệnh
Cung cấp tỉ lệ về
thời gian nguyên
tử
Phát ra tín hiệu mã
giả
Lưu trữ và truyền
bản tin dẫn đường
Tín hiệu cao tần
giả ngẫu nhiên
Bản tin dẫn đường
Telemetry
ĐIỀU KHIỂN Tín hiệu cao tần
giả ngẫu nhiên
Telemetry
UTC

Xác định tỉ lệ thời
gian và dự đoán
lịch thiên văn
Giữ cho phân hệ
không gian hoạt
động
Bản tin dẫn đường
Các lệnh
NGƯỜI DÙNG Tín hiệu cao tần
giả ngẫu nhiên.
Bản tin dẫn đường
Giải phương trình
dẫn đường
Vị trí
Tốc độ
Thời gian
Bảng 1.3 Thông tin trao đổi giữa các phân hệ
1.3.GPS làm việc như thế nào?
Có một vài các phương thức khác nhau cho việc thu được một vị trí sử dụng GPS.
Một phương thức được sử dụng phụ thuộc vào độ chính xác, được yêu cầu bởi
người sử dụng và sự đa dạng của bộ thu. Nói chung, vể mặt kĩ thuật chúng có thể
được chia làm ba phương pháp cơ bản sau:
- Phân giải chính xác vị trớ(Differentially corrected positioning). Phương pháp
đó được biết như là DGPS. Phương pháp này cho độ chính xác tới 0,5 đến
5m, và nó được sử dụng cho dẫn đường hàng hải ven bờ,thu thập dữ liệu GIS
v…v…
Hình 1.10 Phương pháp DGPS
Dẫn đường tự trị (Autonomous Navigation) sử dụng cho một bộ thu đứng một mình
riêng lẻ. Phương pháp này được sử dụng cho những nhà lữ hành, các con tàu mà
những con tàu đó ở rất xa ngoài biển, phương pháp này được sử dụng cho mục đính

quân sự. Phương pháp này xác định vị trí chính xác khoảng 100m trong sử dụng
dân sự và khoảng 20m cho các sử dụng trong quân đội
Hình1.11.Phương pháp dẫn đường tự trị
- Phân giải vị trí theo pha (Differential Phase Position). Phương pháp này cho
độ chính xác từ 0,5 đến 20mm. Phương pháp này được sử dụng cho các công
việc về địa chất, hay điều khiển các thiết bị máy móc, v…v…
1.3.1.Dẫn đường đơn giản.
Đó là một kĩ thuật đơn giản nhất được sử dụng bởi các bộ thu GPS để xác định
một vị trí ngay lập tức và chiều cao hay độ chính xác về thời gian tới người sử
dụng. Độ chính xác đó đạt được hơn 100m cho các mục đích sử dụng trong dân sự
còn trong các mục đích sử dụng trong quân sự có độ chính xác từ 5 đến 15m. Lý do
cho sự khác nhau về độ chính xác trong mục đích dân sự và quân sự sẽ được trình
bày ở phần sau. Các bộ thu được sử dụng cho loại hoạt động là các lọai nhỏ, các
loại xách tay,hay một thiết bị cầm tay với một giá thành thấp.
1.3.1.1. Phạm vi của vệ tinh.
Tất cả các vị trí của GPS đều dựa trên việc đo đạc khoảng cách từ các vệ tinh đến
các bộ thu GPS trên mặt đất. Khoảng cách đó đến mỗi vệ tinh có thể được xác định
bởi một thiết bị thu GPS. Nếu bạn biết khoảng cách từ ba điểm mà ba điểm đó liên
quan đến bạn đến vị trí của bạn, bạn có thể xác định vị trí của bạn liên quan đến ba
điểm đó. Từ khoảng cách đến một vệ tinh, chúng ta biết được rằng, vị trí của một
thiết bị thu phải là một trong số các điểm trên bề mặt của một hình cầu có tâm là vệ
tinh. Nếu chúng ta có ba hình cầu được xác định bởi ba vệ tinh khác nhau, thì khi
đó vị trí của thiết bị thu sẽ được xác định.
Hình 1.12 Xác định vị trí qua ba vệ tinh
Nhưng có một vấn đề đối với hệ thống GPS là ngoài một điểm được xác định bởi ba
vệ tinh trên cần phải có một vệ tinh thứ tư để xác định về mặt thời gian, khi đó thì vị
trí của máy thu hoàn toàn xác định. Khi đó 4 vệ tinh được sử dụng để xác định như
sau: Có 3 vệ tinh để xác định vị trí của một điểm (X,Y,Z) và vệ tinh thứ 4 để xác
định thời gian truyền tín hiệu. Qua quan sát ta thấy bốn vệ tinh tạo ra bốn phương
trình, và đi giải các phương trình đó ta hoàn toàn xác định được điểm đó.

Hình 1.13 Xác định một điểm trong không gian qua 4 vệ tinh
1.3.1.2.Tính toán khoảng cách đến vệ tinh
Theo một cách khác việc tính toán khoảng cách đến mỗi vệ tinh có thể được tính
thông qua định luật Newton:
khoảng cách = vận tốc * thời gian
Cho một ví dụ, ta có thể tính khoảng cách của một con tàu, nếu như chúng ta biết
được vận tốc của nó và thời gian nó đi.
Yêu cầu của bộ thu GPS là tính toán khoảng cách từ thiết bị thu đến khoảng cách
của vệ tinh. Vận tốc ở đây là vận tốc của tín hiệu radio, sóng radio truyền với tốc
độ bằng tốc độ ánh sáng 290.000km trên 1 giây.
Thời gian được đo bằng thời gian truyền tín hiệu sóng radio từ vệ tinh đến thiết bị
thu GPS. Việc tính toán này tương đối khó khăn, vì khi đó ta cần phải phải xác định
khi nào thì tín hiệu radio dời khỏi vệ tinh và khi nào thì nó tới được thiết bị thu.
Tính toán về thời gian: Tín hiệu từ vệ tinh có hai loại mã được điều chế, đó là mã
C/A code và mã P code. Mã C/A code được dựa trên thời gian được cho bởi đồng
hồ nguyên tử có độ chính xác rất cao. Bộ thu cũng có một đồng hồ mà nó được sử
dụng để tạo ra sự so sánh với mã C/A code. Thiết bị thu GPS sau đó tự so sánh
hoặc sẽ tương quan với mã bên trong của vệ tinh để thiết bị thu phát ra mã.
Mã C/A code là một mã số đó là mã “giả ngẫu nhiờn” hoặc xuất hiện một cách ngẫu
nhiên. Trong thực tế, nó không phải là ngẫu nhiên và nó lặp lại một trăm lần sau
mỗi giây.
Theo cách đó thời gian để truyền tín hiệu radio từ vệ tinh đến máy thu GPS được
xác định.
1.3.1.3 Các nguyên nhân gây nhiễu.
Ở các phần trên, chúng ta đều giả thiết rằng vị trí được xác định từ hệ thống GPS là
rất chính xác, và không có lỗi. Nhưng trong thực tế có một số nguyên nhân gây
nhiễu mà nó gây ra sự sai lệch về vị trí từ vài mét đến vài chục mét.Các nguyên
nhân gây nhiễu đó là:
- Trễ truyền trong tầng khí quyển và tầng điện ly.
- Sai lệch về đồng hồ giữa vệ tinh và thiết bị thu.

- Đa đường
- Phân tán độ chính xác (Dilution of Precision)
- S/A (Selective Availability)
- Chống bắt trước A-S (Anti Spoofing)
1.3.1.3.1 Trễ tầng điện ly và tầng khí quyển
Khi tín hiệu vệ tinh đi qua tầng điện ly, tín hiệu đó sẽ bị chậm lại, hiệu ứng đó như
khi ánh sang truyền qua một thấu kính và xảy ra hiện tượng khúc xạ. Trễ trong tầng
khí quyển có thể gây ra một lỗi trong phạm vi tính toán như vận tốc của tín hiệu bị
ảnh hưởng (ánh sáng chỉ có vận tốc không đổi khi nó truyển trong chân không).
Hinh1.14 Trễ truyền trong tầng điện ly
Trễ trong tầng điện ly thì luôn thay đổi và các hệ số trễ đó thì phụ thuộc vào các
nguyên nhân gây trễ trong tầng điện ly.
- Góc chiếu của vệ tinh: Các tín hiệu từ góc chiếu thấp của các vệ tinh sẽ gây
ra ảnh hưởng đến tín hiệu nhiều hơn đối với các tín hiệu của các vệ tinh có
góc chiếu cao hơn. Đó là nguyên nhân gây ra sự tăng về khoảng cách khi tín
hiệu truyền qua tầng khí quyển.
Hình 1.15 Do góc chiếu của vệ tinh
- Mật độ của tầng điện ly chịu ảnh hưởng của mặt trời: Vào ban đêm, có rất ít
sự ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu.Vào ban ngày, mặt trời đã làm
tăng sự ảnh hưởng của tầng điện ly đối với tín hiệu và làm cho tín hiệu bị trễ
nhiều hơn. Đồng thời mật độ của tầng điện ly cũng thay đổi tăng theo với
chu kì của mặt trời (hoạt động của vệt đen) .
Điểm hoạt động của vệt đen cao điểm khoảng xấp xỉ cứ 11 năm. Thêm vào nữa, sức
nóng của trái đất cũng thay đổi ngẫu nhiên và gây ảnh hưởng đến tầng điện ly.
Nhiễu của tầng điện ly có thể được làm giảm nhẹ bằng một trong các cách sau:
+Phương pháp đầu tiên là làm giảm đi sự ảnh hưởng của tầng điện ly đối với
vận tốc ánh sáng khi truyền qua nó. Người ta sẽ sử dụng một hệ số chính xác để đưa
vào để tính toán.Tuy nhiên, điều đó dựa vào điều kiện trung bình của tầng điện ly
hay xác định rõ ràng mật độ của tầng điện ly. Vì vậy phương pháp này không giải
quyết tối ưu đối vơi việc làm giảm bớt nhiễu của tầng điện ly.

+ Phương pháp thứ hai là sử dụng “cặp tần số”của thiết bị thu GPS. Các bộ
thu đo hai tần số L1 và L2 của tín hiệu GPS. Nó được biết như sau, khi một tín hiệu
truyền qua tầng điện ly, nó bị chậm xuống ở một tốc độ nghịch đảo tỉ lệ đối với tần
số của nó. Vì vậy nếu như thay đổi thời gian của hai tín hiệu đối chiếu cho nhau, thì
chúng ta có thể đánh giá chính xác sự trễ của tín hiệu. Chú ý rằng điều đó chỉ có thể
xảy ra đối với các thiết bị thu GPS với cặp tần số. Hầu hết các thiết bị thu được tạo
ra dung để dẫn đường , vì vậy nó chỉ có một tần số.
- Ảnh hưởng của hơi nước đối với tín hiệu GPS: Hơi nước có trong tầng
điện ly cũng gây ảnh hưởng tới tín hiệu GPS.Kết quả của ảnh hưởng đó làm
giảm bớt độ chính xác về vị tri xác định, và có thể khắc phục băng cách sử
dụng các mô hình khí quyển.
1.3.1.3.2 Nhiễu do đồng hồ của vệ tinh và thiết bị thu
Mặc dù các đồng hồ sử dụng trong vệ tinh có độ chính xác rất cao (đến khoảng 3
ns), nhưng thỉnh thoảng chúng cũng gây ra sự trượt và tạo ra những lỗi nhỏ, và gây
ảnh hưởng đến sự chính xác về vị trí.
1.3.1.3.3. Nhiễu đa đường
Đa đường xảy ra khi anten của thiết bị thu được đặt ở vị trí gần khu vực có bề
mặt phản xạ rộng như hồ nước hay các tòa nhà. Tín hiệu vệ tinh không đến trực tiếp
được anten, mà nó đập vào các vật gần anten đầu tiên và sau đó được phản xạ lại và
đến anten tạo ra một phép đo sai.
Hình1.16 Nhiễu đa đường

Nhiễu đa đường có thể được giảm đi bằng cách sử dụng các anten GPS đặc biệt mà
nó đồng nhất một mặt đất bằng phẳng (có hình dạng một cái đĩa của đường tròn
đồng tâm với đường kính khoảng 50 cm), anten đó có tác dụng hạn chế các tín hiệu
phản xạ từ các mặt phản xạ rồi truyền tới anten.
Hinh 3.6. Ănten vòng
Để có độ chính xác cao nhất, các giải pháp thích hợp được sử dụng, đó là một anten
vũng xát nhau. Một anten có vũng xát nhau, có 4 hoặc 5 vòng đồng tâm, nó có tác
dụng ngăn cản bất kì một một tín hiệu không phải được truyền trực tiếp tới anten.

Nhiễu đa đường chỉ gây ảnh hưởng độ chính xác cao, nhất là trong việc đo địa chất.
Các thiết bị thu dẫn đường cầm tay đơn giản không sử dụng kĩ thuật này.
1.3.1.3.4 Phân tán độ chính xác (Dilution of Precision)
Phân tán độ chính xác (DOP) là một phép đo về cường độ hình học vệ tinh và nó có
quan hệ với vị trí và không gian của các vệ tinh trên bầu trời. DOP có thể phóng to
lên và gây ra ảnh hưởng nhiễu.
Hình 1.17 Nhiễu do phân tán độ chính xác
Vị trí tốt nhất giữa hai vệ tinh được minh họa như sau:
Trong trường hợp trên giữa hai vệ tinh đã gây ra sự không chính xác về vị trí
Phạm vi đối với các vệ tinh có ảnh hưởng tới việc xác định vị trí. Khi các vệ tinh
được đặt ở một vị trí tốt, thì vị trí có thể được xác định với một vùng diện tích nhỏ
như trong sơ đồ trên và vì vậy lỗi thu được sẽ nhỏ.
Khi các vệ tinh ở gần nhau , thì vùng xác định sẽ rộng hơn, do vậy vị trí sẽ khó xác
định hơn.
Các loại khác nhau về nhiễu phân tán độ chính xác hay (DOP) có thể được tính toán
dựa theo chiều:
-VDOP-Vertical Dilution of Precision : cho độ chính xác giảm đi theo chiều thẳng
đứng.
-HDOP (Horizontal Dilution of Precision) cho độ chính xác giảm đi trong vị trí ba
chiều.
-GDOP (Geometric Dilution of Precision) cho độ chính xác giảm đi trong ba chiều.
1.3.1.3.5 S/A (Selective Availability)
S/A là một quá trình được đưa vào tín hiệu GPS của khu vực phòng thủ của nước
Mỹ (U.S.Department of Defence), nó có mục đích để phủ nhận dân thường và
những thế lực thù địch bên ngoài, toàn bộ sự chính xác của GPS là vấn đề về các